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上海圓馨能源科技有限公司
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大型暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)組PandaX發(fā)表重要成果
2014-8-25 閱讀(632)
今天，以中國(guó)科學(xué)家為主導(dǎo)的大型暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)組PandaX（熊貓計(jì)劃）在上海交通大學(xué)發(fā)布了實(shí)驗(yàn)組使用120公斤級(jí)液氙探測(cè)器所獲得的*數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)以往上發(fā)現(xiàn)的疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號(hào)提出質(zhì)疑。PandaX是中國(guó)開(kāi)展的*百公斤級(jí)大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，它的運(yùn)行結(jié)果標(biāo)志著中國(guó)在暗物質(zhì)探測(cè)這個(gè)前沿科學(xué)領(lǐng)域跨進(jìn)*行列。
本世紀(jì)以來(lái)，上相繼開(kāi)展了20多個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，利用暗物質(zhì)和探測(cè)器的直接碰撞來(lái)尋找暗物質(zhì)。特別是近幾年來(lái)，意大利DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)，美國(guó)CoGeNT和CDMS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，以及德國(guó)CRESST實(shí)驗(yàn)先后宣稱發(fā)現(xiàn)了疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)的信號(hào)。這些信號(hào)引起了科學(xué)界和公眾的強(qiáng)烈興趣。
今天，上海交大物理與天文系教授季向東代表PandaX合作組宣布，經(jīng)過(guò)今年5月開(kāi)始的一個(gè)多月的運(yùn)行，證實(shí)該實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)和研制的120公斤級(jí)液氙探測(cè)器的靈敏度已經(jīng)達(dá)到*水平，因而能夠?qū)ζ駷橹顾幸伤瓢滴镔|(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行高精度的驗(yàn)證。但是，PandaX合作組至今的探測(cè)尚未發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)的事例，這個(gè)測(cè)量結(jié)果和一些其他實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的輕質(zhì)量暗物質(zhì)疑似信號(hào)不兼容。
PandaX是“粒子和天體物理氙探測(cè)器”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）的英文簡(jiǎn)寫(xiě)。該實(shí)驗(yàn)利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測(cè)媒介來(lái)尋找暗物質(zhì)。該實(shí)驗(yàn)由上海交通大學(xué)牽頭組織領(lǐng)導(dǎo)，包括中國(guó)和美國(guó)的6家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)（山東大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、北京大學(xué)、雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司、美國(guó)馬里蘭大學(xué)和美國(guó)密西根大學(xué)），共40多位研究人員參與。
物理和天文學(xué)家通過(guò)大量的天文觀測(cè)推斷出宇宙中約27%的成分由一種有質(zhì)量卻與普通物質(zhì)沒(méi)有電磁和強(qiáng)相互作用的暗物質(zhì)組成。在銀河系里，暗物質(zhì)比熟知的普通物質(zhì)多了20倍以上。地球以及太陽(yáng)系在這個(gè)銀河系中的暗物質(zhì)“霧霾”里運(yùn)動(dòng)。暗物質(zhì)可以在普通物質(zhì)比如地球中穿梭來(lái)往，幾乎沒(méi)有阻攔。然而，在“希格斯”粒子發(fā)現(xiàn)以后已經(jīng)完備的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中卻無(wú)法找到暗物質(zhì)的解釋。暗物質(zhì)的本性之謎被普遍認(rèn)為是21世紀(jì)物理和天文學(xué)中有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。
PandaX合作組首期實(shí)驗(yàn)用約120公斤的液態(tài)氙作為靶點(diǎn)子來(lái)探測(cè)，其主要目標(biāo)是檢驗(yàn)其他實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的輕質(zhì)量暗物質(zhì)疑似事例。這個(gè)探測(cè)規(guī)模僅次于世界上zui大的、位于美國(guó)南達(dá)科他州地下礦井中的一個(gè)同類實(shí)驗(yàn)LUX。為了躲避宇宙射線的干擾，PandaX實(shí)驗(yàn)在世界zui深的四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。這個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所在2010年由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)。該地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的另外一個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，是由清華大學(xué)牽頭的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)組CDEX，利用低閾能的鍺探測(cè)器進(jìn)行輕質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)。CDEX也在今年發(fā)布了探測(cè)結(jié)果，對(duì)CoGeNT所探測(cè)到的疑似信號(hào)提出質(zhì)疑。
季向東表示，這類實(shí)驗(yàn)的主要困難是地球上無(wú)處不在的放射性。宇宙線的干擾可以用極深的山洞上方的巖石覆蓋來(lái)阻擋。在PandaX實(shí)驗(yàn)里，山洞巖石的放射性由一個(gè)100噸的聚乙烯、鉛及高純銅組成的屏蔽體來(lái)屏蔽。液氙內(nèi)部的放射性元素氪被蒸餾的辦法降低到低于百億分之一的濃度。此外，探測(cè)器和屏蔽體所用的材料和光電倍增管，都預(yù)先經(jīng)過(guò)了放射檢測(cè)站的檢測(cè)和預(yù)選，以確保它們本身的放射性強(qiáng)度不會(huì)給實(shí)驗(yàn)探測(cè)造成顯著的本底干擾。
PandaX項(xiàng)目采用了*“二相型氙”技術(shù)，來(lái)捕捉暗物質(zhì)粒子與氙原子核發(fā)生彈性碰撞而產(chǎn)生的微弱信號(hào)。當(dāng)氙原子受到暗物質(zhì)粒子的碰撞時(shí)會(huì)得到一定的能量，在液氙中反沖產(chǎn)生光信號(hào)和電離電子。電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下向氣態(tài)氙漂移，沖進(jìn)氣體產(chǎn)生二次發(fā)光信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)都能夠被探測(cè)器頂部和底部的“攝像機(jī)”——光電倍增管陣列探測(cè)到，從而可以用來(lái)判別碰撞所發(fā)生的空間位置；而利用這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)大小就可以區(qū)分來(lái)自暗物質(zhì)或其他放射性所產(chǎn)生的事件。
即使通過(guò)各種辦法來(lái)減少本底，在今年5月開(kāi)始的暗物質(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)中，PandaX探測(cè)器記錄了大約400萬(wàn)個(gè)事例，在暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的能區(qū)中有大約1萬(wàn)個(gè)事例，而在探測(cè)器zui“安靜”的中心——37公斤液氙中只有46個(gè)事例。通過(guò)和放射源的定標(biāo)比較，這zui后的46個(gè)事例全部來(lái)自于放射性本底，沒(méi)有任何暗物質(zhì)留下的痕跡。PandaX此次結(jié)果結(jié)合了低閾能和大曝光量?jī)蓚€(gè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)以往實(shí)驗(yàn)中所有發(fā)現(xiàn)的疑似信號(hào)提出了強(qiáng)烈的質(zhì)疑。
據(jù)悉，PandaX項(xiàng)目2010年正式在中國(guó)開(kāi)始。2012年7月，合作組在上海交通大學(xué)完成了制冷設(shè)備、杜瓦系統(tǒng)內(nèi)外罐、首期探測(cè)器的建造和初步調(diào)試。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)需要的屏蔽體也在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室搭建完成。實(shí)驗(yàn)設(shè)備在2012年8月16日運(yùn)抵四川錦屏山。從2012年至2014年初，實(shí)驗(yàn)組在錦屏山對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了安裝和調(diào)試，完成了兩次試運(yùn)行，成功測(cè)試了制冷系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并完成了對(duì)“二相型氙技術(shù)”的驗(yàn)證，對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)和測(cè)試，得到了能夠檢測(cè)以往實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疑似輕質(zhì)量暗物質(zhì)信號(hào)所需要的低閾能。
季向東表示，PandaX能在如此短的探測(cè)時(shí)間內(nèi)得出具有影響力的結(jié)果，關(guān)鍵在于使用了近十年來(lái)發(fā)展zui迅速的液氙探測(cè)技術(shù)。歐洲和美國(guó)在這個(gè)技術(shù)上正在加大投入。目前，世界上運(yùn)行中zui大的該類型探測(cè)器是美國(guó)的250公斤級(jí)LUX探測(cè)器。在排除了較輕的疑似暗物質(zhì)信號(hào)以后，PandaX將繼續(xù)以更高的靈敏度尋找相互作用更微弱的輕質(zhì)量暗物質(zhì)。同時(shí)，正在建造一個(gè)500公斤級(jí)的探測(cè)器，尋找理論家所預(yù)言的、更有可能是較重質(zhì)量的一類暗物質(zhì)粒子。
該研究成果的正式論文已被《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》 （《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》英文版）雜志接收發(fā)表，同時(shí)發(fā)布在高能物理文獻(xiàn)網(wǎng)上。
